深?；卵芯窟M展

宋曉帥，孫志文，朱超祁,2,3，范智涵，朱娜，賈永剛,2，于開寧

1. 中國海洋大學山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室，青島 266100

2. 青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室，青島 266061

3. 海南省海洋地質(zhì)資源與環(huán)境重點實驗室，?？?570206

4. 河北地質(zhì)大學河北省高校生態(tài)環(huán)境地質(zhì)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，石家莊 050031

近些年來，隨著科學技術(shù)的不斷進步和淺水區(qū)油氣資源的枯竭，開采活動不斷轉(zhuǎn)向深海，而深水區(qū)工程活動將面臨更多的地質(zhì)風險和挑戰(zhàn)[1-2]。如海底邊坡失穩(wěn)可導致海底滑坡、濁流和海嘯等一系列地質(zhì)災(zāi)害，從而影響油氣資源的安全開發(fā)和海洋工程的施工[3]（圖1）。因此，總結(jié)、歸納近年來關(guān)于深?；录捌浞€(wěn)定性問題研究進展對未來深水區(qū)工程活動和海洋地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性具有重要指示意義[4]。

圖1 深海資源開發(fā)誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害及監(jiān)測預(yù)警示意圖Fig.1 Schematic diagram of geological disasters and monitoring warnings in deep sea resource development

一般將水深大于1000 m 的海底滑坡稱為深?；?。深海滑坡是由攜帶黏土、砂土的海底沉積物從陸架坡折帶向陸坡和深海盆地運移的重要過程[5-6]，包括從蠕變、滑動、滑塌、碎屑流到濁流的轉(zhuǎn)化。與淺海海底滑坡相比，深海滑坡具有低角度（坡度小于2°）、高速度（35 m/s）、長距離（滑移距離可達數(shù)百千米）、大體量（滑動體積量可達幾億立方米）的滑移特征，是危害程度巨大的深水地質(zhì)災(zāi)害之一，同時對深海海底峽谷演化起到重要作用[7-9]。典型的白云海底滑坡位于南海北部陸緣，主要分布于水深400～3000 m 的深水區(qū)，滑坡面積約13000 km2，體積約1040 km3，最小坡度僅有2°。我國的深?；碌群Ｑ蟮刭|(zhì)災(zāi)害研究始于20 世紀80 年代，研究主要針對海底滑坡要素的識別、分類、影響因素及其監(jiān)測預(yù)警等，均取得了重要研究進展。

本文總結(jié)了國內(nèi)外深?；碌难芯繗v程，梳理深?；碌男螒B(tài)結(jié)構(gòu)及類型、深?；碌难芯糠椒?，討論地震與斷層活動、天然氣水合物分解對深海斜坡不穩(wěn)定性的影響，以期為海洋資源勘探開發(fā)過程中的海底穩(wěn)定性評價研究提供借鑒指導。

1 研究概況

國內(nèi)對于深海滑坡的研究僅處于起步階段，而對于深海滑坡相關(guān)的海洋地質(zhì)災(zāi)害在國際上早有研究[10-11]。進入20 世紀中后期，隨著深海資源的利用和工程建筑的興起，深?；乱l(fā)的災(zāi)害不斷發(fā)生，我國開始逐漸重視深海滑坡的研究。然而，由于科學技術(shù)的落后，主要集中于對深海滑坡的定性描述和分類，籠統(tǒng)分析其誘因等研究[12]。直到1969 年，美國的卡米爾號颶風引發(fā)了海底大規(guī)模斜坡體失穩(wěn)，導致4 座石油開采平臺破壞受損，我國相關(guān)學者才開始認識到深?；卵芯康闹匾浴５?0 世紀90 年代，伴隨海底三維數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的不斷提高，使得深海滑坡進入較深入的研究階段。

近十年來，伴隨著深海油氣資源的勘探與開發(fā)，一些非常規(guī)的研究手段不斷涌現(xiàn)，從而也革新了深海滑坡的研究。高分辨率多波束、側(cè)掃聲納和三維地震等地球物理探測技術(shù)的發(fā)展，提高了對深水區(qū)淺層沉積物的識別能力；以深海運載器為代表的高技術(shù)裝備高效精確探測、取樣等已成為研究深?；虏豢苫蛉钡姆椒ㄊ侄危鐭o人自主潛水器（AUV）和纜控無人遙控潛水器（ROV）可以攜帶物探設(shè)備獲取分辨率優(yōu)于2 m 的海底數(shù)據(jù)，可為深海滑坡研究提供翔實可靠的數(shù)據(jù)。

2 深海滑坡的形態(tài)結(jié)構(gòu)及類型

2.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)

深?；麦w形態(tài)結(jié)構(gòu)與陸地滑坡體、近岸淺?；麦w形態(tài)結(jié)構(gòu)基本相似，均分為三大部分，即頭部拉張區(qū)、體部滑移區(qū)、趾部擠壓區(qū)（圖2）。Cruden 等[13]基于美國50 個州發(fā)生的山體滑坡，總結(jié)了滑坡體形態(tài)結(jié)構(gòu)的簡易模式，將其分為下滑區(qū)、滑動面相關(guān)區(qū)和沉積區(qū)。主要結(jié)構(gòu)單元有：滑坡體頭部、頭部拉張裂縫、滑坡后壁、滑坡主體、側(cè)壁陡崖、滑移面、滑坡體趾部、趾部斷裂面、橫向裂縫、橫向擠壓脊、豎向擠壓脊、滑坡堆積體等。隨后Hampton 等[14]又將Cruden 等[13]提出的下滑區(qū)細分為上部滑移區(qū)和中部滑移區(qū)。Bull 等[15]將滑坡體劃分為后壁區(qū)、輸送區(qū)和趾部區(qū)，組成滑坡體的形態(tài)結(jié)構(gòu)單元與Cruden 等[13]基本一致。

圖2 塊體搬運體系的結(jié)構(gòu)示意圖[16]Fig.2 Structure diagram of MTDs[16]

2.2 類型

此前，對深海滑坡的分類主要借鑒陸地山體滑坡和近淺?；碌姆诸惙桨?，按照分類的依據(jù)來劃分深?；骂愋?。當然，不同的滑坡類型所對應(yīng)的滑坡體形態(tài)結(jié)構(gòu)也不盡相同。

Varnes[17]和Cruden 等[13]依據(jù)滑坡物質(zhì)的種類和搬運方式將滑坡分為滑動型、崩落型、傾倒型、流動型、橫向擴展型和復(fù)合體型6 類（表1）。其中，滑動型又可分為平移型滑動和旋轉(zhuǎn)型滑動或滑塌；而流動型又包括碎屑流、碎屑崩流、泥流、泥石流和蠕動等5 類。

表1 滑坡分類[17]Table 1 Classification of landslides[17]

Canals 等[18]考慮到海洋與陸地滑坡所處環(huán)境差異，根據(jù)海底斜坡變形破壞方式，重新歸納了Cruden 等[13]的分類方案，將滑坡分為蠕變、巖崩/碎屑崩落、平移滑坡/滑動、碎屑流和泥流5 種類型。其中海底蠕變是深海軟黏土在外動力作用下發(fā)生的斜坡體變形現(xiàn)象。蠕變可能演變?yōu)榇笠?guī)模斜坡體失穩(wěn)，是海底滑坡發(fā)生的征兆，在我國南海珠江口盆地的發(fā)育較為廣泛[19-20]。

國內(nèi)學者對深?；碌难芯科鸩捷^晚。陳自生[11]較早對海底滑坡進行了分類，敘述了海底滑坡在分類學上的歸屬及研究意義，按滑動構(gòu)造和形態(tài)特征將海底滑坡劃分為液化型、崩塌型和溜席型。

賈永剛等[21]把海底滑坡分為3 種類型：流動、滑坡和坍塌。根據(jù)運動方式及物質(zhì)組分特征流動可進一步分為蠕流、液化流、顆粒流和濁流；坍塌大多發(fā)生在斜坡體傾角較大的區(qū)域；而滑坡一般發(fā)生在大陸架向大陸坡過渡的陸架坡折帶附近，影響因素復(fù)雜，通常受內(nèi)動力及外動力作用的雙重影響。

王大偉、吳時國等[22]學者將深?；路Q為“塊體搬運沉積體系（MTDs）”，是沉積物向深遠海輸運的重要過程之一（圖2）。他們認為MTDs 主要包括滑動、滑塌和碎屑流三種類型。這種分類方式與國外的“塊體搬運復(fù)合體系”（MTCs）和“塊體搬運體系”（MTD）分類方式角度不同，但內(nèi)涵類似[23-24]。

3 深海滑坡的研究方法

深?；乱话惆l(fā)生在海底上千米，其影響因素和運動過程與陸地滑坡和近岸滑坡均有很大的差異，研究方法與科技手段的局限性是一直制約深?；卵芯窟M展的重要因素[25]。目前，國內(nèi)外對于深?；碌难芯糠椒ù蠖疾捎矛F(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)模擬及原位長期觀測等方法來進行深?；碌难芯抗ぷ鳌Ｍㄟ^這幾種方法的結(jié)合，可對沉積物強度、變形和流動特性以及孔隙水壓力狀況等進行全面的分析。本文中，重點討論幾種常用的與深?；卵芯肯嚓P(guān)的方法手段。

3.1 現(xiàn)場調(diào)查技術(shù)

現(xiàn)場調(diào)查技術(shù)主要包括：① 單波束、多波束水深測量技術(shù)，② 側(cè)掃聲納測量技術(shù)，③ 淺地層剖面測量技術(shù)，④ 地震測量技術(shù)（單道地震、多道地震與小多道地震），⑤ 表層柱狀、箱式地質(zhì)取樣技術(shù)，⑥ 海底地質(zhì)鉆探技術(shù)等。隨著科學技術(shù)的不斷進步，利用這些現(xiàn)場調(diào)查技術(shù)來準確獲取海底相關(guān)信息成為可能[26]。但是限于環(huán)境和技術(shù)條件的約束，實際中很難直接獲取到深海滑坡體的滑動過程、滑移速率和觸發(fā)機制等信息，通常是根據(jù)海底管線、電纜的斷裂時間及損壞程度判斷滑坡發(fā)生的時間和體量[27]。因此，應(yīng)用地質(zhì)取樣和物探技術(shù)對于獲取深?；碌男畔@得尤為重要。

3.1.1 海洋地球物理調(diào)查技術(shù)

海洋地球物理調(diào)查技術(shù)是通過分析獲取的數(shù)據(jù)，了解海底地形地貌特征、地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等基本信息，初步探明深?；碌囊?guī)模及展布情況，同時也可為獲取滑坡區(qū)沉積物樣品提供精準的取樣站位。

水深測量方法主要通過獲取海底地形、地貌圖像的變化來初步推斷是否有新的滑坡。相比單波束而言，多波束測深可準確定位海底變形及失穩(wěn)區(qū)域，可以實現(xiàn)對滑坡區(qū)近乎全覆蓋測量的需求[26]。周慶杰[28]基于多波束地形數(shù)據(jù)，采用編制海底陡坡自動識別程序，在神狐峽谷區(qū)共識別出145 個海底滑坡。此外，McAdoo 等[29]、胡光海等[30]、王磊等[31]均利用多波束水深數(shù)據(jù)進行了海底滑坡的精準識別。

側(cè)掃聲納測量技術(shù)可輔助多波束測深技術(shù)同步使用。對于滑坡體邊界、水深變化劇烈以及多波束測深技術(shù)效果欠佳的位置，可通過側(cè)掃聲納測量獲取地形地貌，由此也常用來證實滑坡的存在。相比于多波束測深技術(shù)，其優(yōu)點是擁有更廣的探測范圍，但測量精度較低。Harders 等[32]利用1300 km 的深拖側(cè)掃聲納圖像，發(fā)現(xiàn)了中美洲海溝大規(guī)模海底滑坡存在的證據(jù)（圖3）。近些年，側(cè)掃聲納設(shè)備也曾搭載AUV、ROV 和HOV 等水下載體，來近距離獲取深?；碌奶厥獾孛?，使得工作更加精細，測量精度更高。

圖3 通過側(cè)掃聲納技術(shù)獲取的海底滑坡圖[32]Fig.3 Submarine landslide image obtained by side-scan sonar technique[32]

淺地層剖面測量技術(shù)與地震測量技術(shù)均采用高能量震源，根據(jù)不同地層具有不同的聲波反射特征來獲取海底地層數(shù)據(jù)。通過研究沉積物地層的連續(xù)性和雜亂反射的結(jié)構(gòu)特性，來確定是否有海底滑坡的發(fā)生。淺地層剖面探測深度一般不超過海底面以下50 m，而地震測量可得到海底約2000 m范圍內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)信息，在深?；卵芯恐袕V泛應(yīng)用。同時，通過地震剖面我們可以從中清晰獲取到斷層、淺層氣及其他復(fù)雜災(zāi)害地質(zhì)體的信息，為研究深?；麦w提供詳實可靠的依據(jù)。Chen 等[33]通過高分辨率三維地震測量技術(shù)，分析南海神狐峽谷區(qū)海底滑坡的地震特征、分布和成因（圖4）。

圖4 海底滑坡的地震反射特征[33]Fig.4 Seismic characteristics of a large slide[33]

3.1.2 海洋地質(zhì)取樣分析技術(shù)

海洋地質(zhì)取樣主要目的是對所取樣品的各項指標進行測量，通過現(xiàn)場試驗測試（如十字板剪切、含水率測定、貫入阻力測定等）和室內(nèi)測試分析（如液塑限、三軸試驗、固結(jié)試驗等），獲得海底沉積物土力學性質(zhì)以及地質(zhì)現(xiàn)象等信息，為分析研究滑坡體的穩(wěn)定性提供必要參數(shù)[34]。

常用的深海表層地質(zhì)取樣按取樣設(shè)備可分為抓斗、箱式和多管等[35-37]（圖5）。抓斗式取樣器（圖5a）可獲取水深約5000 m 的海底表層40 cm 深度的深海沉積物樣品；箱式取樣器（圖5b）主要用于采取不受擾動的海底表層沉積樣品，為滑坡研究提供真實的原狀土樣，適用于各種復(fù)雜底質(zhì)類型及地形海區(qū)的取樣工作；多管取樣器是一種新型取樣設(shè)備（圖5c），主要用于類似深海蠕變區(qū)等海底軟黏土沉積物的取樣工作，具有采集樣品量大、質(zhì)量高、原始保持性好、采樣穩(wěn)定性強等優(yōu)點。

圖5 深海表層地質(zhì)取樣設(shè)備Fig.5 Deepwater surface geological sampling equipment

深海滑坡研究的柱狀地質(zhì)取樣主要應(yīng)用重力取樣器。重力取樣器一般可在4000 m 水深獲取沉積物樣品，長度約6～8 m，可基本保持表層沉積物的原狀地層結(jié)構(gòu)。深海地質(zhì)鉆探（淺鉆）也是另外一種獲取海底柱狀樣的方法，但該技術(shù)的使用成本較高，消耗的人力物力較大，所獲取的柱狀樣主要用于了解滑坡區(qū)底層沉積物類型及分布特征、地層結(jié)構(gòu)和沉積環(huán)境等信息。如Yenes 等[38]利用加的斯灣大陸坡獲取的表層沉積物樣品進行物理成分、力學特性、X 射線衍射等試驗，研究超固結(jié)特性與深海斜坡體穩(wěn)定性的關(guān)系。

3.2 原位觀測技術(shù)

原位觀測方法主要通過貫入海床土體中的孔隙水壓力探桿、三軸加速度傳感器、測斜儀等觀測設(shè)備來進行孔隙水壓力和海床變形滑動觀測。通過分析實時數(shù)據(jù)變化，反演海床土體動力響應(yīng)過程，可有效預(yù)測、預(yù)警深海斜坡體的變形滑動。由于深?；略挥^測的難度較大，花費較高，世界上很少有成功監(jiān)測海床失穩(wěn)的案例，我國對于深?；略挥^測技術(shù)研究也正處于初級階段。

3.2.1 孔隙水壓力觀測

在20 世紀中后期，國外早已開始有關(guān)孔隙水壓力監(jiān)測的研究應(yīng)用。伊利諾伊大學和挪威巖土工程研究所共同研發(fā)的NGI-UI 傳感器，可用于測量500 m 水深孔壓[39]；Bennett[40]在密西西比三角洲地區(qū)利用孔壓設(shè)備進行了風暴期間為期8 個月的觀測，觀測參數(shù)包括孔隙水壓力和靜水壓力，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，風暴潮引起的波浪作用對海床孔壓具有顯著影響；法國海洋開發(fā)研究所研制出6000 m 深海沉積物孔壓觀測設(shè)備，該設(shè)備利用壓差式原理的Hastelloy 壓力傳感器對超孔壓進行觀測，精度約±0.5 kPa，是國內(nèi)外較先進的孔壓觀測設(shè)備，近些年來已取得很多較好的試驗成果[4-5,41-42]。

國內(nèi)關(guān)于海底孔隙水壓力的原位觀測技術(shù)研究起步較晚。目前，具有代表性的是中國海洋大學賈永剛團隊研發(fā)的深海沉積物孔壓監(jiān)測設(shè)備?？讐簻y量傳感器采用壓差式光纖光柵傳感器，測量精度0.1% F.S.，量程±0.5 MPa，可在2000 m 水深連續(xù)觀測7 天。

3.2.2 海床變形滑動觀測

海床變形滑動是海底斜坡體失穩(wěn)最為直接的表現(xiàn)。若能有效獲取深海海床變形滑動原位觀測數(shù)據(jù)，無疑是研究深?；聠?、滑動過程、致災(zāi)機理及預(yù)測預(yù)警的絕佳證據(jù)。但是深海環(huán)境復(fù)雜，原位觀測實施難度大，觀測設(shè)備各項指標要求較高，海底變形滑動事件隨機性強，需要長期觀測才可捕捉到海床的微小變形。目前，國內(nèi)外對于海床變形滑動原位觀測仍處于探索階段，且多數(shù)海床變形滑動設(shè)備用于近岸淺海的滑坡變形觀測。

Fabian 等[43]利用ROV 將裝有三軸加速度傳感器和傾斜儀（OBT）布放在大西洋海脊的Logatchev熱液噴口的巖石堆頂部（圖6），進行384 天的長期觀測，記錄海底沉積物變形和地震活動。Yokoyama等[44]在2013 年研發(fā)了一套海底變形觀測系統(tǒng)，成功應(yīng)用于日本南海海槽監(jiān)測水合物開采引起的海底變形。該系統(tǒng)通過測量海床面處海水壓力變化來監(jiān)測海底沉降，采用液體電解質(zhì)傾角計監(jiān)測海床坡度變化，測量范圍為±30°，分辨率0.001°，精度0.02°。在北海海域，Stenvold[45]采用高精度水壓測量技術(shù)進行海床沉降變形的監(jiān)測。該方法在構(gòu)造運動、海床隆起中也曾多次使用。Wallace 等[46]也使用該方法在2014 年9 月和10 月的一次近海慢滑事件（SSE）期間進行了海底形變觀測，數(shù)據(jù)顯示了SSE 期間海底垂直形變的分布，并提供了SSE 發(fā)生在海溝附近（海底2 km 以內(nèi)）的直接證據(jù)。

圖6 觀測海底沉積物變形和地震活動的OBT 設(shè)備及模型[43]Fig.6 OBT equipment and models for observing sediment deformation and seismic activity on the seafloor[43]

國內(nèi)對于深海海床變形滑動的原位監(jiān)測相對較少。目前，中國海洋大學賈永剛團隊對相關(guān)設(shè)備探索研發(fā)了應(yīng)用[47]，該設(shè)備可搭載位移傳感器陣列SAA（shape accel array）（圖7），通過實時觀測海底沉積物側(cè)向及垂向的動態(tài)變化，實現(xiàn)對海底滑坡災(zāi)害孕育發(fā)生過程的原位觀測[26]。該系統(tǒng)主要由陣列式位移傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)和供電系統(tǒng)構(gòu)成，具有整機功耗低、觀測周期長、傳感器精度高且穩(wěn)定、數(shù)據(jù)實時傳輸控制等特點，既可監(jiān)測海床橫向滑動變形，又可監(jiān)測海底面縱向塌陷或隆起變形，但該設(shè)備的最大工作水深僅100 m，還不能應(yīng)用于深?；碌淖冃位瑒釉挥^測。

圖7 海底變形滑動觀測系統(tǒng)及組成部分[47]Fig.7 The components of the seabed deformation observation system[47]

近些年，雖然在該方面做了部分工作，但我國起步相對較晚，經(jīng)驗不足。再者，相關(guān)技術(shù)落后，工作量較大，但是獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量整體不高。想要突破深海原位觀測技術(shù)領(lǐng)域的瓶頸，我們還需研制耐高壓、耐腐蝕、低耗能的原位觀測儀器，發(fā)展適用于深海觀測環(huán)境（如高壓、高溫、高鹽等）的傳感器和儀器；發(fā)展適于深海原位觀測的固定和移動平臺，提高原位觀測系統(tǒng)的供電時間、數(shù)據(jù)傳輸能力，建立長期、穩(wěn)定的海底原位觀測網(wǎng)，是深?；略挥^測技術(shù)發(fā)展的基本趨勢。

3.3 物理模擬試驗

深?；掳l(fā)生于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中，通過現(xiàn)場調(diào)查和原位觀測幾乎不可能捕捉到斜坡體蠕變-滑移-滑塌-碎屑流-濁流的全過程及伴隨的再沉積作用。因此，通過室內(nèi)物理模型試驗來發(fā)現(xiàn)特征物理現(xiàn)象，同時也為數(shù)值模擬提供有價值的實驗數(shù)據(jù)。深?；卵芯康奈锢砟Ｐ蛯嶒炛饕ǔＲ?guī)水槽實驗和離心實驗兩種。常規(guī)實驗主要在自身重力條件下開展研究，而離心實驗則通過離心機補償損失的自重應(yīng)力，使模型與原型具有相同的應(yīng)力水平[48]。

Wang 等[49]利用巧妙設(shè)計的一套試驗裝置，模擬海底滑坡與海底通信電纜之間的相對運動，研究海底滑坡對海底電纜的沖擊特性。該試驗裝置主要部分是鋼鐵材料制成的環(huán)形水槽，水槽的外徑0.9 m，內(nèi)徑0.6 m，寬度0.4 m。通過正面透明的有機玻璃觀察水槽內(nèi)沉積物和水的混合物在水槽旋轉(zhuǎn)過程中對纜繩的沖擊（圖8）。Liu 等[50]利用坡度可調(diào)的水槽、氣體加壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)和圖像采集系統(tǒng)構(gòu)成物理模擬試驗系統(tǒng)，對低滲透粉砂層施加氣體，模擬水合物分解產(chǎn)生的超孔壓對上覆海床破壞的物理過程。Fan 等[51]通過精心設(shè)計的水槽試驗系統(tǒng)，研究深?；逻\動過程中的水土交換作用。試驗采用不同含水量（112% 和157%）的高嶺土作為土樣，對不同流速（1.16～2.05 m/s）下海底滑動土的土-水界面平均傳質(zhì)通量進行了研究。

圖8 模擬海底滑坡的試驗設(shè)備[49]Fig.8 Test equipment to simulate submarine landslide[49]

目前，對深?；码x心實驗?zāi)M的相關(guān)研究相對較少。胡光海等[30]利用土工離心模型試驗機，進行了海底斜坡含氣土體的穩(wěn)定性研究，揭示了海底滑坡破壞模式和失穩(wěn)機制。Gue 等[52]利用迷你滾筒離心機試驗，模擬了坡度較小的海底滑坡發(fā)生后的沉積物流動問題。斜坡上安裝了微型傳感器，用來測量水流下的孔隙壓力，還包括一系列數(shù)碼相機用來捕捉沉積物的流動狀態(tài)。孫柏濤[53]利用土工鼓式離心機以及自主開發(fā)的滑坡裝置、注漿裝置、攝像裝置和燈光布置，在改變離心加速度和土體含水率的條件下進行了一系列的海底滑坡離心模型實驗。

3.4 數(shù)值模擬試驗

隨著計算機科學的迅速發(fā)展和巖土力學理論的不斷提高，數(shù)值模擬作為一種快速有效的方法技術(shù)，近年來已被廣泛采用。數(shù)值模擬試驗主要用來研究斜坡的變形及不穩(wěn)定性，分析斜坡體的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變特征，主要包括有限差分法、離散元法、邊界元法、有限元法等[54-56]。

Gue[52]采用DAMPM 方法模擬了海底滑坡過程等大變形問題，并進行了離心機試驗，結(jié)果有很好的一致性。馬林偉等[57]根據(jù)物態(tài)變化和搬運機制將滑坡劃分為3 個不同階段進行模擬：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析階段、雙向流固耦合的碎屑流滑動分析階段、濁流的流體分析階段。Mi 等[58]基于循環(huán)彈塑性本構(gòu)模型和改進的拉格朗日技術(shù)，提出了一種研究地震荷載作用下海底軟黏土邊坡動態(tài)滑動過程的數(shù)值模擬方法。通過與前人研究結(jié)果的對比，驗證了所提數(shù)值模擬方法的適用性。

利用物理模型試驗和數(shù)值模擬方法來研究深?；碌幕瑒舆^程和發(fā)展趨勢，極大提高了對深?；碌膯?、滑動和結(jié)束整個過程的理解。

4 深海斜坡體穩(wěn)定性分析

海底斜坡失穩(wěn)的機理相對復(fù)雜，一般來說，海底滑坡的產(chǎn)生通常是由海床內(nèi)部作用（地震與斷層、天然氣水合物分解、巖漿火山、泥火山等）和外部作用（風暴浪、潮汐、人類活動、海嘯、海平面波動等）共同耦合所引起[59-60]。

Prior[61]梳理了海底滑坡多種觸發(fā)因素之間的關(guān)系，并建立了海底斜坡失穩(wěn)過程框架圖（圖9）。Hance[60]統(tǒng)計分析了534 個海底滑坡，有366 個海底滑坡涉及到多個觸發(fā)因素，而不是特定的單個因素觸發(fā)（圖10）。其中觸發(fā)因素中排前三的分別是地震和斷層活動、快速沉積作用和天然氣水合物分解作用，所占比例分別為42%、25%和11%；海洋風暴浪、潮汐、洪水和人類活動所占比例均不足5%。然而，深?；乱话愣及l(fā)生在上千米水深，可以判斷，地震和斷層活動、天然氣水合物分解作用是觸發(fā)深海海底滑坡發(fā)生的兩個最重要因素。

圖9 海底滑坡誘因及其相互關(guān)系[61]Fig.9 The causes of submarine landslides [61]

圖10 海底滑坡觸發(fā)因素[61]Fig.10 Triggering factors of submarine landslides[61]

4.1 地震與斷層活動

斷層活動可引起下伏地殼板塊的活動，板塊之間的活動可直接促使海底斜坡體傾角增大，也可將能量由下伏基巖傳遞給海床表層沉積物，不但增加了斜坡體的剪切力，而且振動液化使得土體強度降低，最終導致斜坡體失穩(wěn)。同時，斷層也是重要的氣體通道，深層氣體可沿斷層面向淺部運移，促使?jié)撛诨泼娴男纬蒣62-63]。南海北部白云海底滑坡底部發(fā)育有大量的大型活動斷層，垂向延伸數(shù)千米。地層地震反射特征呈現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)和高振幅異常，并分布于斷層面兩側(cè)或斷層頂部，這可能是斷層內(nèi)存在流體或氣體運移（圖11）。

圖11 白云滑坡體部滑移區(qū)斷層作為流體運移通道的地震特征[64]Fig.11 Seismological characteristics of slip zone faults in Baiyun landslide body as fluid migration channels[64]

地震作用既可直接導致斜坡體失穩(wěn)，還可引發(fā)海嘯，巨大的海嘯波浪作用可再次引起斜坡體失穩(wěn)。1929 年的Grand Banks 地震，是產(chǎn)生海底滑坡的主要因素[10]。1946 年4 月1 日發(fā)生了里氏7.1 級的Aleutian 地震，在Alaskan 近岸引發(fā)巨大海嘯，造成167 人死亡。Fryer 等[65]研究表明，這次大地震造成Ugamak 海底滑坡的發(fā)生，從而引發(fā)海嘯。2011 年3 月11 日，由于北美板塊和太平洋板塊邊界的擠壓造成日本海溝發(fā)生震級Mw 9.0 的地震[66]，地 震 期 間 逆 沖 斷 層 的 滑 動 錯 位 為60 ～80 m[67]。Nian 等[68]提出了地震荷載作用下海底邊坡失穩(wěn)的區(qū)域評價方法，建立了多土層邊坡穩(wěn)定性評價公式，對南海東北部深?；逻M行了區(qū)域地震不穩(wěn)定性評價，并對影響海底滑坡的各種因素進行了簡要討論。但是也有學者研究表明，地震作用一定程度上可以增加斜坡體的穩(wěn)定性。Chigira[69]的研究工作表明地震作用可能會增大海底沉積物的強度。在地震過程中，沉積物顆粒之間的孔隙水能夠及時排出，孔隙水壓力隨之降低，土體顆粒之間的有效應(yīng)力增加，沉積物強度增大。持此種觀點的學者較少，確鑿證據(jù)還待進一步研究。

4.2 天然氣水合物分解

天然氣水合物（natural gas hydrate，簡稱NGH）是低溫高壓條件下形成的籠型化合物[70]。在自然條件下，一些外部因素（海平面變化、潮汐和地震）的干擾，會誘發(fā)天然氣水合物的分解，并導致水合物儲層流體上升，從而打破沉積物的原始狀態(tài)[71]。天然氣水合物是沉積物顆粒之間的有效膠結(jié)劑，水合物的分解可導致局部剪切應(yīng)力的變化和海底邊坡失穩(wěn)[72]。另外，在標準的溫壓條件下，1 m3的水合物分解會釋放出約164 m3的甲烷氣（遠遠高于氣體在水中的溶解度）和0.8 m3的水[73]。這可能會導致低滲透層的體積膨脹，多余的水和氣體來不及排出，產(chǎn)生超壓流體[74]。超壓將降低海相沉積物有效應(yīng)力，進而導致海底滑坡的發(fā)生[75]。

大量的深?；卤蛔C實是水合物分解、氣體遷移至淺層導致。Elger 等[76]通過分析北冰洋地區(qū)獲取的地震剖面數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)水合物賦存可有效降低沉積物的滲透率，并在天然氣水合物穩(wěn)定帶底部形成超壓。水力壓裂形成管道結(jié)構(gòu)成為超壓流體向上流動的通道。當這些管道結(jié)構(gòu)到達上覆弱透水層時，超壓便會橫向發(fā)展，從而破壞斜坡的穩(wěn)定性（圖12）。Nian 等[77]對天然氣水合物分解過程中超壓流體釋放誘發(fā)的海底邊坡失穩(wěn)機制進行了室內(nèi)試驗研究，對不同條件下土體的孔壓、土體表層位移和內(nèi)部變形進行了測量和比較，分析了不同參數(shù)值對土體的孔壓、地表位移和內(nèi)部變形的影響。

圖12 水合物分解導致海底滑坡模式圖[76]Fig.12 Model diagram of submarine landslide caused by hydrate decomposition[76]

最為著名的挪威北海Storegga 滑坡，滑坡面積約 為35000 km2，體 積 高 達3500 km3，滑 移 距 離約500 km，引發(fā)海嘯涌入蘇格蘭島80 km，爬高80 m（圖13）?；聟^(qū)地震剖面資料顯示，存在有明顯的BSR（似海底反射面），可說明天然氣水合物分解作用是該滑坡發(fā)生的重要原因。該滑坡共分為3 個滑動階段：第一階段發(fā)生于約40 ka 前，滑坡體積量約為3900 km3；第二、第三階段發(fā)生于距今6～8 ka，滑坡體積量約為1700 km3。后經(jīng)多位學者的證實，其中至少第二階段滑坡體失穩(wěn)是由天然氣水合物的長期分解所導致[78-79]。

圖13 Storegga 滑坡位置及誘發(fā)海嘯圖[80]Fig.13 Storegga landslide location and run-up of tsunami deposits[80]

隨著我國南海珠江口盆地天然氣水合物資源勘探工作的開展，水合物試采區(qū)海底面穩(wěn)定性研究取得了長足進步。從20 世紀90 年代至今，在該區(qū)域識別出了大量的海底滑坡。馮文科等[81]通過對南海北部約7×104km2的海洋工程地質(zhì)調(diào)查資料研究，發(fā)現(xiàn)珠江口盆地有大量海底滑坡分布，面積達1000 km2。孫運寶等[82]發(fā)現(xiàn)了大型白云海底滑坡，初步估算滑坡面積約為13000 km2。吳時國等[83]分析了白云海底滑坡的結(jié)構(gòu)特征、地震響應(yīng)與成因機制。王磊等[84]通過對珠江口盆地陸架坡折帶位置一處海底滑坡（圖14 黃色虛線）地震資料分析，認為相對海平面變化和流體活動綜合作用是導致該區(qū)海底不穩(wěn)定的主要因素。Zhu 等[85]圈定了南海北部陸坡珠江口盆地海底巨型滑坡的區(qū)域范圍（圖14 白色虛線）。雖然，我國南海水合物試采區(qū)的海底面穩(wěn)定性調(diào)查已經(jīng)取得了顯著成果，但對海底失穩(wěn)的機制揭示還有待深入研究。

圖14 南海北部陸坡滑坡[85]Fig.14 Landslide in the northern part of the South China Sea [85]

5 結(jié)論

（1）從20 世紀80 年代至今，我國關(guān)于深?；碌难芯恳恢碧幱诔醪缴仙A段，近十年來，一些新方法的不斷涌現(xiàn)，革新了深海滑坡的研究。目前，研究熱點已由深?；碌男螒B(tài)結(jié)構(gòu)及分類等轉(zhuǎn)移到深海滑坡的觸發(fā)機制、滑動過程原位觀測等方面。

（2）現(xiàn)場調(diào)查技術(shù)、物理模擬試驗和數(shù)值模擬試驗仍是深海滑坡研究的主要方法手段，ROV/HOV 等非常規(guī)技術(shù)也在逐步應(yīng)用于深?；碌难芯恐?。原位觀測技術(shù)主要集中于淺海的孔隙水壓力觀測和海床變形滑動觀測，對于深?；掠^測成功的案例還較少。

（3）深?；碌漠a(chǎn)生通常是由海床內(nèi)部地質(zhì)作用和外部水動力作用共同引起，多種觸發(fā)機制對深海滑坡的耦合作用及新觸發(fā)機制對深?；碌挠绊懭允俏磥硌芯康闹攸c。